硅酸系耐高溫防氧化涂料的研究

趙景濤 張貴杰 邢旭騰

摘 要：針對金屬在熱處理加工中表面生成的大量氧化鐵皮，研制一種硅酸系的高溫防氧化涂料。這種涂料包含硅酸鈉，二氧化硅，氧化鋯，氧化鋁，碳化硼及一些特殊物質。這種涂料能夠使金屬在熱加工中的抗高溫氧化達到1100℃。通過氧化失重對比試驗表明這種涂料在1100℃能降低氧化燒損。有效解決了鋼鐵加熱過程中氧化燒損問題，避免了鋼材的浪費。

關鍵詞：硅酸鈉；耐高溫；防氧化；涂料

引言

鋼鐵是用途最廣泛的材料，其產量往往是衡量一個國家工業化水平和生產能力的重要標志[1]。鋼坯和連鑄坯在進行初扎前要在加熱爐中加熱一定溫度，這一過程會很長時間，而且爐中存在一些氧化性氣體，在加熱過程中由于氣體和金屬基體發生化學反應，導致脫碳、氧化和元素貧化問題。使鋼鐵表面會生成大量的氧化鐵皮，隨著加熱溫度升高，鋼材的氧化燒損越嚴重，加熱時間越長，氧化鐵皮越厚。且金屬的氧化與加熱溫度和加熱時間密切相關[2]，它隨溫度的升高、加熱時間的延長而變得更加嚴重。高溫氧化還會造成原料、能源和勞動力的浪費[3]。為了提高鋼材的成材率，減少消耗，節約能源，很多國家研制生產一些保護涂料來降低鋼材在熱處理中的高溫氧化問題。

1 實驗設備及材料

加熱爐，分析天平，線切割機，普碳鋼Q235，硅酸鈉，二氧化硅，二氧化鋯，氧化鋁，碳化硼，二氧化鈦，氧化鈣等化學用品。

2 實驗方法

將Q235普碳鋼用線切割機制作為60×40×5mm的試樣，去除表面油污，用砂紙將試樣表面打磨干凈至沒有氧化鐵皮，再用酒精清洗試樣表面干凈。將涂料涂覆在試樣表面放入加熱爐中進行加熱實驗。

2.1 對比試驗

本實驗采用硅酸鈉為粘接劑，主要粉體為二氧化硅，氧化鋁。首先驗證二氧化鋯和二氧化鈦的選取問題。選取60g二氧化硅，9g氧化鋁，20g硅酸鈉，向其中分別加入10g二氧化鋯記為第一組，加入10g二氧化鈦記為第二組，涂覆在試樣上。每組選取四塊試樣進行熱處理，記為A，B，C，D，其中A，B為有涂料試樣，C，D無涂料。進行試驗前，將試樣用分析天平秤重，實驗前質量記為m1，熱處理后質量記為m2。試樣在加熱爐中加熱90min，加熱溫度分別為800℃，850℃，900℃，950℃，1000℃，1050℃，1100℃，1150℃。首先通過試樣加熱前后的質量損失驗證涂料是否有效。

由表1，2可得涂覆涂料的試樣氧化損失比無涂料的試樣減少的要少。

試樣加熱前后質量差：

氧化燒損：

減少氧化燒損：

試樣在經過800-1150℃加熱處理后實驗條件是加熱溫度為800-1150℃之間，每隔50℃，加熱時間為90min。

由圖1可知，在1000℃之前，氧化鋯和氧化鈦防氧化效果一樣，但是在1000℃在1100℃之間，氧化鋯的作用明顯比氧化鈦的要好。同時氧化鋯加熱到1000℃時發生晶型轉變，由低溫下的單斜晶變成正方晶，這種轉變導致涂層體積膨脹，使金屬在冷卻過程中產生巨大內應力，使涂層容易剝落。由此可知氧化鋯比氧化鈦更為適合。在1150℃時，有涂料的試樣比無涂料的試樣沒有良好的防氧化效果，說明以硅酸鈉為粘接劑的涂料最高使用溫度為1100℃。

同樣的選取60g二氧化硅，9g氧化鋁，20g硅酸鈉，向其中分別加入2g氧化鈣記為第一組，加入2g碳化硼記為第二組，涂覆在試樣上。每組選取四塊試樣進行熱處理，記為A，B，C，D，其中A，B為有涂料試樣，C，D無涂料。

圖2中的三條曲線分別是含氧化鈣和碳化硼的涂料及無涂料試樣的氧化失重曲線。由圖看出，含碳化硼的涂料比氧化鈣涂料效果好，且裸露試樣的氧化燒損更嚴重。選擇碳化硼為涂料的組分。

2.2 正交實驗

涂料由單一的耐高溫物質組成不能滿足涂料各向性能指標要求。由涂料的防護機理和金屬在加熱中的氧化規律和不同耐高溫物質的基本作用及選材標準的原則和大致用量范圍，選取SiO2、ZrO2、B4C、Al2O3、和Na2SiO3作為涂料的主要粉料來完成45正交實驗，各組分的含量及實驗結果見表3。

由正交試驗，首先對于SiO2，有Kj1>Kj2>Kj3=Kj4，取第一水平SiO2的加入量，即60g。依次類推：ZrO2的加入量為12g；B4C的加入量為3g；Al2O3的加入量應為9g；由于加入過多的Na2SiO3會使試樣集體表面腐蝕，且有表看出Kj3=Kj4>Kj2>kj1。所以Na2SiO3的量選為19.55g。又正交實驗得到的各組分質量進行稱重，重新制備涂料，使試樣的氧化失重達到2.436%。

再經過多次實驗進行調整涂料配方成分，使涂料的性能改善。

3 實驗分析

對確定的涂料進行性能分析，由于鋼坯在進行熱處理工程中，加熱溫度和加熱時間對其的氧化程度有很大影響，現對這兩種因素驗證此涂料的性能。

3.1 不同加熱溫度對涂料性能的影響

實驗的加熱溫度為800℃，850℃，900℃，950℃，1000℃，1050℃，1100℃，1150℃，加熱時間選取90min，實驗結果見圖3。

從圖3可知，涂料能夠減少鋼材的氧化燒損，涂料對鋼坯有明顯的保護作用。從無涂料曲線來看，鋼坯在900℃時，鋼材的氧化快速增加。在1000-1100℃之間，由于鋼表面有氧化鐵皮生產，減緩了它的氧化速率。從有涂料的曲線來看，涂料在800-900℃間，由于涂料處于燒結過程，而且此時溫度不高，氧化燒損不嚴重。而當超過1100℃時，涂料已經不具備防氧化效果。

3.2 不同加熱時間對涂料性能的影響

實驗加熱溫度是1000℃，加熱時間為30min，60min，90min，120min，150min，180min，每隔30min，實驗結果如圖4。

對于有涂料的試樣，在60-150min之間，涂料對鋼坯的氧化失重率在2%-3%之間，對鋼坯的防氧化有著良好效果，超過150min后，氧化失重率急劇增加，該涂料保溫時間可到150min。對于無涂料的試樣，隨著時間的增長，鋼坯的氧化失重率隨之增加。

4 實驗結論

（1）涂料由Na2SiO3，SiO2，Al2O3，ZrO2，B4C，SiC，C等組成。（2）由硅酸鈉體系制成的涂料最高防氧化溫度可達1100℃，超過1100℃其氧化效果不明顯。（3）此涂料的對鋼坯的保溫時間可以達到150min。（4）在1100℃時，保溫150min可以使鋼坯試樣的氧化失重率為2.38

4%。

參考文獻

[1]馮聚和.煉鋼設計原理[M].北京：化學工業出版業，2005.

[2]周繼良.碳素鋼高溫抗氧化涂料的研究[D].西安：西安建筑科技大學，2005.

[3]Chen R Y，Yuen W Y D. Review of the High-temperature Oxidation of Iron and Carbon Steel in Air or Oxygen [J]. Oxid.Met，2003，59（5/6）：433-468.

作者簡介：趙景濤，男，華北理工大學在讀碩士研究生，工作單位：華北理工大學。

張貴杰（1973-），男，漢族，河北省唐海縣人，博士，教授，碩士生導師，研究方向：金屬材料成型理論與工藝、非線性相變和智能金屬材料。